设备管理内容提要

第10章设备管理内容提要•概述–技术模式–讨论I/O管理模块设计和对主要设备的管理•设计目标：有效性（性能）、通用性•层次模型–I/O硬件–设备驱动程序–I/O子系统•磁盘调度•SPOOL•习题I/O技术模式和设备控制器•技术模式–编程I/O–中断驱动I/O–直接存储访问DMA•设备控制器：负责与CPU的接口–早期：无设备控制器，由CPU直接控制I/O–中断技术和独立于CPU的设备控制–直接存储访问DMA：启动时给出交换数据的内存地址、交换的字节数和外存的起始地址，并存入外存的控制器。随后的数据交换由外存控制器和内存之间进行，CPU只是在每条指令结束时，查询是否由DMA要求，若有，则让出总线一个周期。所有数据交换完毕后，向CPU发出中断请求。–I/O通道：独立编程的I/O处理器。CPU使用外设时只需指出由I/O处理器执行的I/O程序的首地址。I/O系统的层次模型系统服务接口内核设备驱动程序…….设备驱动程序设备驱动程序接口I/O子系统进程进程…….I/O系统的层次模型各层概述•抽象和分层：–抽象：以更概括的方式抽取事物的共性–分层：逐层抽象。下层提供服务功能；上层用下层功能实现更抽象的功能。每层有明确环境（下层给）和职责（本层实现）。•I/O子系统：提供对所有设备都一致的接口。负责权限控制、缓存、设备命名等。•设备驱动程序接口：将上层对逻辑I/O的调用转换为对具体设备驱动程序的调用。•设备驱动程序：负责与具体设备的所有交互操作，还维护设备请求队列、管理和报告设备的状态，在有的系统中还包含中断管理。•I/O硬件与CPU之间的接口I/O硬件组成•设备控制器（I/O接口）–控制和状态寄存器（CSR）：设备驱动程序写CSR，以向设备发出命令；读CSR，以读取设备的状态。–I/O空间：对设备控制器的寄存器的编址。•主存映射设备I/O模式•独立于主存的I/O空间模式–数据传送方式：可编程I/O（包括中断驱动I/O）、DMA•DMA：启动I/O后，由设备直接与内存交换数据，直至完成规定传输或出错。DMA控制器组成系统总线控制和状态逻辑地址寄存器数据计数器数据缓冲寄存器设备读写应答DMA请求中断注：其中用兰色表示的部分是中断模式也用到的。设备驱动程序（功能）•执行进程提出的I/O请求（阻塞）•完成I/O后用中断向CPU报告完成情况，并准备好执行下一个请求•维护I/O请求队列•当有新的I/O请求到来时，对有些设备（如磁盘）要进行I/O设备请求队列的重新排队（按照某种策略），以优化系统性能，并按照一定算法挑选下一个被执行的I/O请求。设备驱动程序（实现要点）•对下：–正确地利用设备控制器完成I/O工作（只有设备驱动程序知道操纵I/O设备的细节）–中断处理，取得I/O状态，出错重做•对上：–接收来自I/O子系统的逻辑I/O请求–报告I/O执行结果•对内：–逻辑I/O请求转换成对设备的具体调用格式–维护请求队列和重新排序。设备驱动程序（数据结构）•设备分类：块设备、字符设备、其他设备（如时钟、显示器）、伪设备•设备开关表：定义了每个设备必须支持的入口点（对应于设备提供的各种功能）–块设备开关表：open,close,strategy–字符设备开关表:open,close,read,write,ioctr–块设备表iobuf（每个块设备一份）：说明该设备的I/O方式、完成情况和缓冲区使用情况的标识位，整个缓冲区的头尾指针，现在正在使用的设备的缓冲区的头尾指针，设备名，忙闲标志，允许重复执行的次数，…..设备驱动程序（数据结构图示）opencloseopencloseopencloseopencloseopenclose每个主设备对应其中之一，按主设备号选取转入该主设备的不同的功能程序的入口。而每个具体的功能程序的执行要依赖于该设备的设备表中的信息设备开关表I/O子系统（功能）•设备命名：提供一个一致的规范的命名方法和名字空间。•设备保护•提供与设备无关的块尺寸•缓冲技术•块设备的存储分配•独占设备的分配与释放•报告错误信息I/O子系统（设备命名）•目标：独立于设备的软件应能够把设备的符号名映射到正确的设备上，而且设备的命名对用户来说应该是简单好用、便于记忆的。•有关概念：–主次设备号：主设备号是devsw表的索引–内部号和外部号–设备文件和路径名：根据“i–node”(描述文件属性和地址的数据结构）的内容可以区分是真正的文件，还是设备文件。I/O子系统（为什么使用I/O缓冲区）•I/O与CPU速度的严重不匹配：如果I/O直接与用户进程存区交换数据，导致该进程在I/O传输完成之前无法让出内存，也易发生死锁。•便于进程共享缓冲区中的数据，减少I/O传输的次数•便于在整块传送的数据中，挑选出用户进程所需要的数据段。直接使用用户进程的存区进行I/O数据交换有可能引起死锁磁盘换出进程的存区磁盘驱动1将换入的进程需要使用磁盘让它由磁盘进入内存2将换入进程已得到换出进程的存区3磁盘驱动程序需换出进程的存区，以便送入它所要的数据4磁盘驱动已经占有了磁盘将换入的进程1234注意：此图与教材P.213L.5中说法并不一致。这是可能导致死锁的另一种情况！I/O子系统（I/O缓冲区的实现）I/O逻辑块号哈希函数头尾I/O缓冲区中块的信息：块号、使用计数等哈希链接01不在使用中的块。（按照LRU排序）按“头”指针选择被置换出的块；从使用中的块转为不使用的块时，按“尾”指针进入队列。使用计数不等于0的块磁盘调度•磁盘访问时间的组成：柱面定位、旋转延迟、传送。柱面定位占用时间最多。•磁盘调度算法：–先来先服务（FCFS）–最短查找时间优先（SSTF）–电梯扫描–循环扫描先来先服务（FCFS）117140168170201225227288t最短查找时间优先（SSTF）117140168170201225227288t电梯扫描117140168170201225227288t循环扫描117140168170201225227288t虚拟设备和SPOOL系统•独占设备容易成为系统瓶颈：造成死锁可能性大、使用效率低•SPOOL：通过共享设备（通常是盘）来模拟独享设备。•输出SPOOL：–并没有把打印机分给某进程独占使用–用户进程实际被分到的是盘上的一个文件–提高独享设备利用率，从而提高系统效率•组成SPOOL的输出进程/输入进程组成SPOOL的输出进程/输入进程BeginbeginrepeatrepeatIf输出队列空WAIT（用户进程输出要求）；ThenWAIT;将输出转换为文件；取队列中下一文件；将该文件记入队列；打开该文件；SIGNAL（输出进程）；BeginforeverRepeatend.从磁盘缓冲区读一文件行；打印该文件行；等待打印机完成中断；Until(endoffile)EndForeverendCP满空习题•10.12•说明设备驱动程序的主要功能。•说明设备驱动程序从上层接收的信息的主要内容；它如何处理这些信息；它与相应的设备控制器是如何交互工作的。•10.14•10.20